建筑结构基础浸水环境下稳定性能探索

2022-09-21 16:42:37 来源:写作指导

[摘 要]雁柏山庄建立在雁栖湖流水之上,水侵蚀可能会影响桩基础自身的结构稳定性。基于工程地质取样与力学性能测试,得到了混凝土经水侵蚀前后、各个土层的基本力学参数。利用FLAC3D数值模拟软件,分析了混凝土经浸水前后的桩基础的稳定性。结果表明,当桩基础被水侵蚀弱化后,自身结构的最大位移值明显变大、自身结构易引起下方层土的变形,桩体与承台中的塑性区明显增大,从而降低了建筑结构的稳定性。研究结果对实际工程桩基础稳定性分析与相应的防侵蚀办法具有一定参考价值。

[关键词]桩基础;数值模拟;稳定性分析

雁栖湖雁柏山庄在建筑风格上整体呈现出仿宋建筑的特点,建筑房屋由下方承台与桩基础支撑,保证建筑结构中桩基础的稳定性是上方房屋的长期服役的关键。在建筑结构稳定性分析方面,研究人员开展了大量的研究工作。王淦臣[1]基于基坑开挖对邻近桩基础稳定性的影响分析,提出了将加固后的土层作为等效加固地基的概念。滑帅[2]基于FLAC3D数值模拟软件,分析了电塔桩基的协同变形过程,发现桩基础的嵌入深度与变形呈正比关系。针对立井井架的不均匀沉降问题,王堂[3]等对3种加固方案下的井架基础的沉降变形进行了分析,最终确定:当采用整体联合加固方案时,服役期间井架基础的不均匀沉降问题可得到很好的改善。林智伟[4]进行了铁塔基础的数值模拟稳定性分析,综合考虑基础设施在服役期间的水平力与下压力等因素的影响,得到了可靠的稳定性分析结果。周茂强等[5]利用数值模拟的方法,进行了高桩承台基础的稳定性分析,得到了组块调运过程中承台空间内的危险区域位置与最大等效应力区域,为实际生产提供了安全保障。考虑到雁柏山庄建筑结构在雁栖湖流水之上,混凝土结构会常年遭受水的侵蚀,水会影响桩基础的力学性能。本研究通过对干燥桩基础与经饱水侵蚀后的桩基础进行数值模拟分析,对桩体的稳定性进行研究,为实际工程提供有价值的参考。

1力学参数的获取与建模

基于现场工程中建筑结构下方的土体地质调查,发现该工况下的土体从上到下主要分为淤泥质粉土、粉质粘土与中砂3种土层,其厚度分别为4、2、14m。结合桩基础使用的混凝土类型,对其进行饱水处理。通过室内力学测试获得干燥混凝土、饱水混凝土、淤泥质粉土、粉质粘土与中砂的力学参数,见表1。本工程中承台与桩基础的三维示意如图1所示。承台上方建筑房屋通过墩柱对承台施加荷载,可数值模拟实际受力过程。本研究的数值模拟依托岩土数值分析软件MIDASGTS,首先确定合理的模型范围,再进行坐标平移或转换,结合布尔运算得到实体模型,从而建立相宜的三维实体模型。通过MIDASGTS与FLAC3D接口转换程序,将MIDASGTS中的模型节点和单元数据共同导入至FLAC3D软件中,得到可直接模拟计算的高精度数值模型。重点建立了呈对称分布单个承台的三维数值模型。为了尽量满足实际淤泥质粉土表层的分布形态,参考常用的园艺流水设计,将淤泥质粉土表层设置为阶梯形分布结构。模型中土体的模型尺寸为20m×15m×20m,模型共划分了3组,分别对应了淤泥质粉土、粉质粘土与中砂。桩基础的长度为15.5m、直径为1.2m,承台的尺寸为20m×1.5m×2.8m,承台与淤泥质粉土的间距为1.5m。整个模型共划分为138644个单元和28127个节点,如图2所示。根据本工程设计规范GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》,对单个承台施加260kN的荷载,分别通过对干燥与饱水混凝土进行数值模拟,进行以下分析。

2数值模拟结果分析

2.1位移分析

通过模拟分析,提取了仿宋建筑桩基础水侵蚀前、后的位移云图,如图3和图4所示。通过结果可知,当混凝土不经过饱水侵蚀时,桩基础下方的砂中出现了最大x向位移,其值在0.25~0.27mm。而当桩基础经过饱水侵蚀后,受到桩基础承载能力降低的影响,表层淤泥质粉土的最大x向位移大于不经过饱水侵蚀时的近20倍。混凝土桩基础在水侵蚀前、后的z向位移云图如图4所示。由于承台受到外界荷载作用,其z向位移最大。混凝土在经过饱水侵蚀前后,受到桩基础承载能力降低的影响,承台的最大z向位移增大了近6倍。当混凝土不经过饱水侵蚀时,因桩基础自身的力学性能较强,4条桩基础的z向位移基本保持一致,并与相近的土层保持一致。当混凝土经过饱水侵蚀后,桩基础z向位移呈现出明显的分层现象,未接触土层桩结构的z向位移小于下方桩基础的位移值。综上所述,通过水侵蚀前、后的位移云图可知,当桩基础被水侵蚀弱化后,最大位移值明显变大。

2.2应力分析

混凝土桩基础在水侵蚀前后的xx向应力云图如图5所示。通过结果可知,侵蚀前后,桩基础下方的中砂中出现了最大xx向应力,土层与桩基础中的应力值呈现分层状态。桩基础经过水侵蚀后的最大应力值变大。混凝土桩基础在水侵蚀前、后的zz向应力云图如图6所示。最大zz向应力值均出现在桩基础的下部中,在桩基础经过饱水侵蚀后,该值在一定程度上增大。混凝土桩基础在水侵蚀前、后的最大主应力云图如图7所示。与xx与zz向应力相似的是,混凝土在经过饱水侵蚀前、后的最大主应力均出现在桩体的下方,水侵蚀后的该值大于未经水侵蚀的桩基础。受到水侵蚀的桩基础,因自身力学性能被弱化,桩基础对中砂造成更大的荷载影响,易使中砂发生较大位移,不利于桩基础结构自身的稳定状态。综上所述,通过水侵蚀前、后的应力云图可知,当桩基础被水侵蚀弱化后,自身结构易引起下方层土的变形,从而降低建筑结构的稳定性。

2.3塑性区分析

FLAC3D中材料的塑性区,是指当外界荷载对材料的力超过弹性应力极值后,将会对局部材料产生不可恢复的屈服区域。混凝土桩基础在水侵蚀前、后的塑性区分布云图如图8所示。由图8可知,当桩基础未经过水侵蚀时,模型内的塑性区全部集中分布于3种土体中,承台与桩基础中未有明显的塑性区出现,建筑结构处于稳定状态。当桩基础经过饱水侵蚀后,受桩基础力学性能被弱化影响,承台、桩基础与土层中出现了较多塑性区。对于桩基础而言,由于上部桩体周围无土层的侧限约束作用,导致其表面出现了很多塑性区。同时,在各个土层的交界处出现了很多塑性区。对于承台而言,由于桩基础上部出现了较多塑性区,导致桩体对承台的支撑作用减小,使刚度较强的承台在一定程度上发生了弯曲、扭转,导致承台上非均匀分布着部分塑性区域。综上所述,通过水侵蚀前、后的塑性区云图可知,当桩基础被水侵蚀弱化后,建筑结构稳定性明显降低。

3结束语

(1)通过分析水侵蚀前、后的位移云图可知,当桩基础被水侵蚀弱化后,自身结构的最大位移值明显变大。对于水侵蚀前、后的应力云图而言,当桩基础被水侵蚀弱化前、后,自身结构的应力分布状态基本一致,但最大应力值增大。

(2)通过水侵蚀前、后的塑性区云图可知,当桩基础被水侵蚀弱化后,承台与桩基础出现了不同程度分布的塑性区,表明其在水与荷载的作用下,可能会出现一定的损伤,建筑结构稳定性降低。

(3)由于混凝土结构会常年遭受雁栖湖流水的侵蚀,需要对其进行合理的耐久性处理。例如可利用金属材料的阴极保护效应,对桩基础外层包裹一定厚度的金属薄层,使其避免外界水体的侵蚀影响。

作者:李跃亮 李晓志 单位:中交一公局集团有限公司